2013/5/18南华大学核科学技术学院毕业设计（论文）
出来的两种不同物理现象,其本质上是一样的,都可以用量子力学的微扰理论加以解释.原子体系在外场中的哈密顿算符为
当处于足够强的磁场中时,电子的轨道磁矩和自旋磁矩分别与磁场耦合,而 H中电自旋 - 轨道耦合项等最后三项与第四项相比可以略去. 第三、 四项的数量
级
为
:
由磁量子数表征的能级裂距大小为B 电子伏特,故强度为几个特斯拉的磁场就可以
认为足够强了.逆磁场项e也可略去,因为eB ,而实验室通常所用的磁场强度大小B 不超过10特斯拉.所以可得体系的哈密顿算符为:
取体系的一个力学量完全集合为{ H0 , L.将体系哈密顿算符 H0 的本征矢量取为这个力学量完全集合的共同本征矢量 | n1 mms > , 算符 H^对这个本征矢量 | n1 mms > 作用,
z)当作微扰项就可以得到相应的本征值是玻尔能级,在强磁场中发生分裂,对的简并仍保留,对 m、 ms 的简并解除.若磁场足够弱,则 H中电子的自旋 - 轨道耦合作用等最后三项与电子的轨道磁矩和自旋磁矩与磁场的耦合作用项相比很大,相对来说前者是主要的,则可以近似地在氢原子或类氢离子能级精细结构的基础上,再将后者当作微扰项,略去逆磁项[5 ]可见在足够弱的磁场中,原子定态的精细结构能级 Enj0对 l 的简并解除,并且每一个 nlj 子能级再分裂为2 j + 1个子能级.
由上分析可以看出正、 反常塞曼效应中 ,只是由于B 值的大小对能量影响大小的不同 ,而所选取的基态本征函数不同 ,但两者的理论本质是一样的 ,都可以用量子力学的微扰论进行较好的解释.
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5.塞曼效应的应用与发展
5.1.背景介绍
在原子吸收光谱分析中,所谓背景吸收是指由于光谱特征如在光谱通带内有非吸收线、非发射线的存在即光谱的重叠现象,以及大量的待测样品的基体所引起的吸收现象等 这些都不是待测定分析线的吸收 ,因此会给结果带来误差 ,需要对其进行校正 现代原子吸收光谱分析 ,测定灵敏度非常高,许多元素已检测到 一以上 ,为保证测定的准确度 ,背景校正技术显得尤其重要 ,特别是随着商品仪器的发展 ,能否完善地校正背景更成为衡量一台仪器性能的重要指标 所以研究探讨背景校正技术是一个活跃的课题 我们知道 将光源置于一定的磁场中,一条谱线会分为几条,且分裂的裂距很小 ,与谱线宽度在同一数量级 ,此即塞曼效应 利用该效应可精确地测量背景 ,相应的仪器称为塞曼原子吸收光谱仪 近年来研究最多、应用最广、效果最好的就是这种应用塞曼效应校正背景的技术 其校正精度比其它方法好10倍可校正达 1.7吸光度的背景，1970年prugger首先提出将塞曼效应用于原子吸收光谱分析中 ,1973年Stephens在国际原子光谱会议上发表了应用文章 ,从此应用塞曼效应校正背景的研究迅速发展起来 1985年我国自行设计了第一台塞曼原子吸收光谱仪。
5.2塞曼效应校正背景的物理原理
塞应校正背景的物理原理当将光源加上磁场时 ,光源所发射的谱线就会产生塞曼效应 ,即分裂为几条波长和偏振方向不同的谱线 原子吸收光谱分析技术是 当光源发射的待测元素的特征谱线穿过原子化器产生的同种元素的基态原子时 ,基态原子对特征谱线产生吸收 ,
根据吸收的强弱可测定待测元素的含量 如果在原子吸收光谱仪的光源上加一恒定的磁场时 ,特征谱线被分裂为偏振方向不同的成分和口成分对于正常塞曼效应 ,特征谱线分裂成三条,其中二成分的波长保持不变 ,仍为原待测元素的分析线 ,但 成分波长发生偏移 由一偏转器将?和?成分交替地送往原子化器 ,当它们通过原子蒸气时,?成分被待测的基态原子和背景吸收 ,产生一吸收信号
A1 ,而 ?成分由于偏移了分析线 ,所以仅被背景吸收产生吸收信号A2,也就是
说 ,由于背景吸收与波长无关,对波长不同的?和?成分都产生吸收,而待测元
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素的基态原子的吸收仅发生在分析线上 ,即仅对?成分产生吸收很显然,A1和
A2差值即为净吸收信号。
00设光源的 ?、?成分的强度分别为I? I?,?成分为吸收线 ,?成分为参比AABB线 ,试样对 ?和?成分的吸收系数分别为k? k?，背景的吸收系数分别k? k?砖,试样原子数为nA ,背景的宏观物质个数为nB ,蒸气原子的厚度为L ,根据吸收定律
BBa为常量，因为?和?成分波长差很小足可近似地认为k?=k?,通过光路的00补偿措施 ,完全能实现 I?=I?,于是有
式表明 测得信号仅与待测原子有关 ,背景吸收被消除 ,即宏观背景得到了完全的校正
5.3.仪器结构及其工作原理
根据塞曼效应将分析线分裂来校正背景的物理原理Stephens设计的仪器是将磁场加到光源上称为光源调制式，1975年以后,Vchida提出了将磁场加到原子化器上的设计报告,称为吸收线调制式 另外一种有代表性的设计是近几年提到的交变磁场调制式 这三种调制方
式的装置原理如图所示 现就其不同的结构介绍其原理 ,并对其优缺点进行评述
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5.3.1源调制式
如图a所示 这是最早被应用的调制方式 ,其工作原理正如前面所述 这种仪器的缺点是除极少数元素外,其光源制作复杂且昂贵,目前只有少数元素能够做成磁性放电灯，所以其推广受到了限制
5.3.2吸收线调制式
如图b所示，这种结构是将磁场加到原子化器上,使吸收线发生?、?分裂 当旋转检偏器将光源发射的自然光分为偏振方向相互垂直的两束偏振光P?P\\\\交替地送到原子化器时,由于吸收的矢量性 ,吸收线的?成分吸收与其偏振方向相同的P\\\\ ,而不吸收P?, ?吸收线的口成分不吸收P\\\\ ,仅可能吸收P?但由于? 已发生了波长偏移,所以也不吸收P?而背景则可同时对 P\\\\、P?产生吸收,二者的差值即为净吸收,从而校正了背景的吸收值,这种仪器的优点是在常规的光源和普通的单色器下即可实现背景校正 ,因而得到了迅速的发展,我国生产的仪器都属于这种结构 以上两种结构的磁场都是恒磁场其缺点是光源进人原子化器时 ,既可存在正常塞曼效应 ,也可存在反常塞曼效应 ,造成灵敏度的下降,为了解决这一问题,人们又提出了第三种调制式
5.3.3.交变磁场调制式
如图 c所示 这种结构的特点是磁场交替地接通和断开 其工作原理是 当磁场接通时 ,有塞曼效应存在 ,调节检偏器同步只允许P?进入原子化器 ,这时只观察到?成分的吸收 ,即背景吸收 ,设其信号为A1 当磁场断开时 ,这时检
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偏器允许自然光或P\\\\通过 ,没有塞曼效应存在 ,观察到的是吸收线的原子吸收和背景吸收,设其信号为A2A1和A2的差即为净原子吸收其优点是没有灵敏度损失 ,但仪器笨重 ,人们对这种结构正在进行不断的探索研究
5.4.磁场强度对校正背景的影响
根据塞曼效应理论,正常塞曼效应谱线的裂距(波数差) ?v?eB4?mc。B为外加磁场的磁感应强度,m为电子质量，将各常数值代人得 ?v?0.476Bm ,谱
?1线的频移直接受 的影响 根据仪器通带的要求及光谱特征 ,实验研究表明 只有当以 旧左右时背景校正完全,即当 为 一 打时背景校正最好,实验又表明,不同的元素具有不同的最佳值如前所述,由于有反常塞曼效应的存在,一般磁场以 左右最好 而对于使用交变磁场的仪器,在可能的情况下 ,可以用强些的磁场以获得较好的背景校正 ,且各元素的最佳值是一样的,一般应用 盯的磁场
5.5.塞曼应校正背景的优点及展望
根据塞曼校正背景的原理我们会看到 测量线和参比线取自同一光源,即同一光束被分为不同的部分,具有相同的波长、发光体和光路 ,因此能自动地实现背景和光源强度变化的同时校正 ,使测量结果准确可靠 能分析复杂成份的样品 ,避免了许多化学方法带人的站污和损失 另外由于它利用仪器本身光源—空心阴极灯校正背景 ,所以能适应的波长范围很宽 ,卯注卜 刃伍刃的任何一条分析线都能进行校正背景,这是其它方法无法比拟的 正因为它有这样的优点 ,故其研究和应用都得到快速的发展 随着研究的深人,很多新的问题急需解决 如反常塞曼效应会导致分析灵敏度降低,高浓度时会出现曲线反转等 科学家们还在不断的探索 ,各种新的构想、新式的仪器正不断出现有趣的是在我国从事分析测试工作的大多学化学出身,而现代仪器分析存在许多物理问题,因此,它需要许多物理学的人才加人到这些交叉学科中去大显身手
6塞曼效应测量电子荷质比实验
6.1.塞曼效应实验原理解释
电子自旋和轨道运动使原子具有一定的磁矩。在外磁场中，原子磁矩与磁场相互作用，使原子系统附加了磁作用能?E，又由于电子轨道和自旋的空间的量子化。这种磁相互作用能只能取有限个分立的值，此时原子系统的总能量为
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